Windiges Geschäft Rotorblätter für Mega-Windkraftanlagen erhalten optimiertes Profil

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Im letzten Jahr habe die Windraft über 30 Prozent an grünem Strom geliefert. Neue Rotorprofile, wie sie an der FH Kiel entwickelt werden, sollen die Stromausbeute noch erhöhen ...

Ein internationales Forschungsteam an der Fachhochschule (FH) Kiel hat die aerodynamischen Profile von Rotorblättern von Mega-Windkraftanlagen optimiert, wie es heißt. Dafür analysierte es den Übergangsbereich von Rotorblättern zur Rotornabe. Denn dieser sei bisher noch nicht nach aerodynamischen Gesichtspunkten entworfen. Die Ergebnisse des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) mit rund 230.000 Euro geförderten Projekts könnten sich sehenlassen. Beim Design der Windenergieanlagen gilt also den Rotorblättern besondere Aufmerksamkeit, denn die wandeln die kinetische Energie des Windes in Rotation um. Generatoren verwandeln die Rotation, ähnlich wie bei einem Fahrradynamo, in Strom um. Damit das Ganze auch optimal funktioniert, erhalten die Rotorblätter ein möglichst aerodynamisches Profil – mit Ausnahme der ersten 20 Prozent nahe der Rotornabe. In diesem Bereich ist der Flügel vergleichsweise dick, was eine kompliziertere Umströmung mit sich bringe.

Rotorblatt-Übergangsbereich lässt Köpfe rauchen

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Entwicklung und Vermessung von sehr dicken aerodynamischen Profilen für Windturbinenblätter“ wollten die Kieler um den Windkraftexperten Prof. Dr. Alois Schaffarczyk herausfinden, was passiert, wenn man das Profil des sogenannten Übergangsbereichs des Rotorblattes eben doch aerodynamisch auslegt. Unterstützt wurde man dabei von Zhong-Xia Wang (Gastwissenschaftler aus Beijing) und Brandon Lobo (Doktorand aus Indien).

Im Projektverlauf führten die Wissenschaftler an einem generischen Blatt der 10-Megawatt-Klasse durch, wie man erfährt. Die Nabenhöhe beträgt über 140 Meter, der Rotordurchmesser liegt bei rund 200 Metern, die Rotorblätter sind über 90 Meter lang. Der vom Team ins Visier genommene Bereich umfasst die inneren 15 Meter des Rotors und damit eine vom Wind umstrichene Fläche von circa 750 Quadratmetern.

Deutliche Gewinnausbeute mit wenigen Prozent

Die Forscher entwarfen dazu gelich mehrere geeignete Profile, identifizierten die vielversprechendsten davon und simulierten ihr Strömungsverhalten mit sogenannten CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics). Auf Basis dieser Berechnungen verfeinerte das Projektteam das Konzept und baute das Blattprofil mit den offenbar besten Eigenschaften. Beim Bau des Modells unterstützte die Rendsburger Aerovide GmbH. Die Deutsche Windguard Engineering GmbH begleitete die gesamten Entwicklungsprozesse und brachte ihr Know-how aus Untersuchungen an Rotorblättern im Freifeld und im Windkanal ein (siehe Bilder).

Im Großwindkanal der Deutschen Windguard in Bremerhaven führte das Team aerodynamische Messungen durch. Die Ergebnisse der Tests sind vielversprechend, denn das im Projekt entwickelte aerodynamische Profil ermöglicht einen bis zu vier Prozent höheren Stromertrag. Das höre sich zunächst wenig an, wäre aber in Wirklichkeit extrem viel. Denn damit könnte der Gewinn maßgeblich gesteigert werden, wie die Kieler betonen.

Jetzt sind die Windkraftanlagen-Hersteller gefragt

Zusätzlich berücksichtigte das Projektteam auch aerodynamische Hilfsmittel. Dazu gehören etwa sogenannte Vortex-Generatoren und Splitterplatten. Beide können sogar im Nachhinein an Rotorblätter angebracht werden, was zum Beispiel im Rahmen regulärer Wartungsarbeiten passieren kann. Diese Zusätze helfen dabei, den aerodynamischen Wirkungsgrad der Rotorblätter zu optimieren und Strömungsabrisse zu reduzieren. Beim Einsatz dieser aerodynamischen Hilfsmittel habe man sogar zusätzliche signifikante Veränderungen der Auftriebs- und Widerstandseigenschaften beobachten können und damit eine weitere Leistungssteigerung. Deshalb ist man überzeugt davon, mithilfe dieser Forschungen eine wichtige technische Lücke geschlossen zu haben. Es wäre wirklich bedauerlich, wenn Anlagenhersteller diese Chance zur Ertragssteigerung nicht nutzen würden.

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